CHƯƠNG 3 - TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN pps

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.1.Yêu cầu và nguyên tắc điều khiển 3.1.1.Mục đích và yêu cầu -Muốn Tiristor mở cho dòng chạy qua thì phải có điện áp dương đặt trên anot và phải có xung áp dương đặt nên cực điều khiển. Sau khi Tiristir mở yhif xung điều khiển không còn tác dụng, lúc này dòng điện chạy qua Tiristor do thông số mạch động lực quyết định. Chức năng của mạch điều khiển: -Điều khiển được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt nên anot-catot của Tiristor. -Tạo được các xung có đủ điều kiện mở được Tiristor, xung điều khiển thường có biên độ từ 2V đến 10V, độ rộng xung t x =20÷100µs đối với thiết bị chỉnh lưu. Độ rộng xung xác định theo biều thức: t x = Trong đó: I dt : Dòng duy trì của Tiristor. : Tốc độ tăng trưởng của dòng tải. Mối quan hệ giữa điện áp chỉnh lưu với việc thay đổi góc mở α U c l =U o cosα Trong đó: -U c l : Điện áp sau chỉnh lưu. -U o : Điện áp chỉnh lưu lớn nhất khi góc mở α=0 Các yêu cầu đối với xung điều khiển : -Phát xung điều khiển chính xác đúng thời điểm do người thiết kế tính toán. -Các xung điều khiền phải đủ lớn về biên độ và độ rộng để có thể mở được các van 1 -Các xung điều khiển phải có tính đối xứng cao, đảm bảo được phạm vi điều chỉnh góc mở. -Có khả năng chống nhiễu, tác động nhanh. -Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện dao động cả về biên độ và tần số. Ngoài ra hệ thống điều khiển phải có nhiệm vụ ổn định dòng điện tải và bảo vệ hệ thống khi xảy ra sự cố quá tải hay ngắn mạch. 3.1.2.Nguyên tắc điều khiển Người ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển để thay đổi góc mở α của các Tiristor là: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính và nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos. a.Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp: -Điện áp đồng bộ, kí hiệu là U r có dạng răng cưa, đồng bộ với diện áp đặt yteen anot-catot của Tiristor. -Điện áp điều khiển, kí hiệu là U c , là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ. Hình 3.1: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính 2 Tổng đại số U r + U c được đưa đến đầu vào của một khâu so sánh. Bằng cách làm biến đổi U c ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra, tức là thời điểm điều chình góc mở α. Khi: U c = 0 ta có α = 0 U c < 0 ta có α > 0 Quan hệ giữa α và U c được biểu diễn qua công thức sau: α=π Người ta thường lấy U rmax = U cmax . b.Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos. Theo nguyên tắc này người ta cũng dùng hai điện áp: -Điện áp điều khiển U c là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ theo cả hai hướng ( âm và dương). -Điện áp đồng bộ U r vượt trước điện áp anot-catot của Tiristor một gó bằng π/2 (nếu u AK =Asinωt thì u r =Bsinωt). Hình 3.2: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ARCCOS Trên hình vẽ đường nét đứt là điện áp anot-catot của Tiristor. Từ điện áp này người ta tạo ra u r . 3 Tổng đại số u r +u c được đưa tới đầu vào của khâu so sánh. Khi u r +u c =0 thì ta nhận được được một xung đầu ra của khâu so sánh. u c +Bcosα=0 Do α=arccos Người ta lấy B = U cmax Khi u c = 0 thì α = π/2 Khi u c = U Cmax thì α = π Khi u c = -U Cmax thì α = 0 Như vậy khi α biến thiên từ -U Cmax đến +U Cmax thì α biến thiên từ 0 đến π. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” được sử dụng trong các thiết bị biến đổi đòi hỏi chất lượng cao. 3.2.Các linh kiện điện tử sử dụng trong mạch. - Toàn bộ mạch điện phải dùng 2 cổng AND nên ta chọn một con IC 7415. Mỗi con IC7415 có 3 cổng AND. Hình 3.3: Sơ đồ chân IC7415. -Ta dùng một con HCF4066 phục vụ cho việc chuyển mạch nạp: 4 Vcc Gnd Hinh 3.4: Sơ đồ chân IC HCF4066 *Thông số của HCF4066: Điện áp nguồn nuôi : V DD = -0,5÷18 (V) chọn V DD = +12 (V) Điện áp đầu vào: V IN = -0,5÷V DD +0,5(V) Nhiệt độ làm việc : T = -40÷ 85 0 C Công suất tiêu thụ: P = 200 (mW) = 0,2 (W) -Ta sử dụng một con IC 7404 có sơ đồ chân như sau: Hình 3.5: Sơ đồ chân IC7404 - Mạch sử dụng 11 khuyếch đại thuật toán (OA1→OA11) do vậy chúng ta cần 3 con IC TL084. mỗi con có sơ đồ bố trí chân như hình bên dưới: 5 Hình 3.6: Sơ đồchân ICTL084. *Thông số của TL084 : Điện áp nguồn nuôi : V cc = ± 18 (V) chọn V cc = ± 12 (V) Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: ± 30 (V) Nhiệt độ làm việc : T = -25÷ 85 0 C Công suất tiêu thụ: P = 680 (mW) = 0,68 (W) Tổng trở đầu vào : R in = 10 6 ( MΩ) Dòng điện đầu ra : I ra = 30 ( pA). Tốc độ biến thiên điện áp cho phép : du/dt = 13 (V/µs). 3.3.Sơ đồ khối và chức năng 3.3.1.Khâu đồng pha. D2 R2 D3 U ng 1 Hình 3.7: Sơ đồ khối đồng pha. 6 Tín hiệu đồng bộ có thể lấy từ biến áp lực cũng có thể lấy từ một biến áp khác. Do trong mạch điều khiển có nhiều khâu sử dụng nguồn điện áp thấp nên chúng ta dùng một biến áp có quấn nhiều cuộn dây thứ cấp, mỗi cuộn có một chức năng riêng biệt, trong đó sử dụng cuộn có điện áp 0V-12V-24V dùng cho khâu đồng bộ. Mạch tạo xung đồng bộ được lấy từ điện áp lưới U = 220V, f=50Hz, trùng pha với điện áp đặt nên cuộn sơ cấp của biến áp động lực. Hai điôt D2 và D3 làm nhiệm vụ chỉnh lưu tạo ra tín hiệu U 1 làm ngưỡng để so sánh với tín hiệu một chiều. Ta chọn 2 điôt D1 và D2 là điôt IN4004. 3.3.2 Khối tạo xung đồng bộ. OA2 R4 R3 R5 +E _ + D11 2 U 0 1 Hình3.8: Khối tạo xung đồng bộ. U2 t t Urss Uo U t 7 Điện áp U 1 được so sánh với điện áp U 0 để tạo ra các tín hiệu tương ứng với thời điểm điện áp nguồn đi qua điểm không. U 0 càng nhỏ thì xung U 2 càng hẹp và phạm vi điều chỉnh càng lớn lựa chọn α max = 175 0 thì U 0 = 0 2 5sin2U (4.1) Từ phương trình 4.1 ta có 0 U = V48,1087,0.12.25sin.12.2 0 == . Ta có 434 0 RR E R U + = 443 12)(48,1 RRR =+⇒ 43 52,1048,1 RR =⇒ 1,7 4 3 =⇒ R R Để tổn thất trên điện trở nhỏ chúng ta chọn R 4 = 4,7KΩ, R 3 = 33KΩ,R 5 = 2,2KΩ 3.3.3.Khối tạo điện áp răng cưa. Hình 3.9: Khối tạo xung răng cưa. Nguyên lý cơ bản của khâu này là dùng mạch tích phân và khóa điện tử T 1 , T 1 là transitor ngược C828 (có thông số:30V 0,05A 0,25W). Khi U 2 =0,T 1 khóa, tụ C 1 được nạp bởi dòng điện: 434 1248,1 RRR + =⇒ -Tại thời điểm điện áp U 2 chuyển từ 1→0 tụ C 1 phóng hết điện (U C1 =0) và bắt đầu được nạp điện. Khi U 2 chuyển từ 0→1 transitor T 1 thông, C 1 bắt đầu phóng điện cho tới khi điện áp U 2 chuyển từ 1→0. Tụ C 1 phóng điện trong suốt độ rộng của xung. Khi U 2 chuyển trạng thái từ 0→1 tụ C 1 được nạp điện trở lại. -Điện áp tụ được hình thành do sự nạp của tụ C 1, mặt khác để bảo đảm điện áp tụ có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được T r = R 6 . C 1 = 0,005 (s) Chọn tụ C 1 = 0,1 (µF) th́ điện trở R 6 3 6 1 10.50 10.1,0 005,0 === − C T r Ω Vậy: R 3 = 50 kΩ . R 7 =10 kΩ. 3.3.4.Khối phản hồi dòng điện. Hinh 3.10: Khối phản hồi dòng điện. Điện áp phản hồi được lấy trên điện trở R s của mạch lực. Tín hiệu qua khuếch đại thuật toán OA6 được lật trạng thái, sau đó được cộng với tín hiệu chủ đạo lấy trên chiết áp VR1 U 4 = U fh1 + U cd1 (U cd1 lấy trên triết áp VR1). Ban đầu khi chưa nối tải vào mạch, điện áp của bộ chỉnh lưu là U d =U 0 , dòng điện I d =0. Khi nối tải vào mạch, dòng điện sẽ tăng lên, do nội trở của acqui nhỏ nên dòng điện sẽ tăng lên rất lớn làm giảm tuổi thọ của acqui. Để hạn trế tốc độ tăng của dòng điện chúng ta sử dụng khâu phản hồi dòng điện luôn luôn ổn định ở giá trị đặt. Khi bắt đầu nạp dòng điện trong mạch tăng lên, làm cho điện áp lấy trên điện trở R S tăng lên, điện áp U 4 tăng, qua khuếch đại thuật toán OA7 tín hiệu được lật trạng thái, điện áp U 5 tăng, U dk tăng. Điện áp điều khiển tăng, làm tăng góc mở α. Do đó điện áp trên mạch lực giảm xuống, điện áp giảm làm cho dòng điện giảm xuống bằng giá trị đặt chính là dòng điện nạp cho acqui. Ngược lại khi dòng điện trong mạch lực giảm xuống, thì sẽ làm cho điện áp điều khiển giảm, góc mở α tăng lên, điện áp trên mạch lực tăng lên dẫn đến dòng điện nạp tăng tới giá trị đặt. 3.3.5.Khối phản hồi điện áp. Hình 3.11: Khối phản hồi điện áp. Tín hiệu phản hồi điện áp được lấy trên điện trở phản hồi R f . Khuếch đại thuật toán OA8 đóng vai trò là khâu lặp tín hiệu, với hệ số khuếch đại là . Mạch phản hồi điện áp làm nhiệm vụ ổn định điện áp khi dung lượng acqui đã đạt tới 80% định mức. Biến trở VR2 là biến trở lấy điện áp chủ đạo, U cd nạp lớn nhất khi mỗi ngăn acqui đạt tới 2,7V. U dkU = U 7 = U phU - U cd U cd : Điện áp chủ đạo lấy trên biến trở VR2. U phU : Điện áp tại đầu ra của khuếch đại thuật toán OA8 (U 6 ). Khi điện áp nạp tăng lên lớn hơn giá trị điện áp đặt cho mỗi ngăn acqui đơn là 2,7V làm cho U f tăng, U fhU tăng, làm cho U dkU tăng lên. Điên áp điều khiển tăng làm cho góc mở α tăng, do vậy điện áp acqui giảm xuống bằng giá trị đặt. 3.3.6.Khối chuyển mạch nạp. [...]... nạp thì R1=R2 = VR/2 Mạch tạo chùm xung có tần số f= 1/2fx = 3 ( kHz) hay chu kỳ của xung chùm T= 1/f = Tnap+Tphong = 33 3 (µs) Chọn R1= R2 = VR/2 thì T= 1,1 VR.C2 = 33 3 (µs) vậy : VR C2 = 30 2, 73 (µs) Chọn tụ C2 = 0,1µF có điện áp U = 16 (V) ; VR= 30 27 ,3 (Ω) Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch thì ta chọn VR là biến trở 3 KΩ 3. 3.8 Khối khuyếch đại xung và biến áp xung Hình3.14: Khối khuyếch... c = I1 = 0 ,3 A I 0 .3 3 C Vậy thì: I B = β = 50 = 6.10 ( A) = 6(mA) Ta chọn: R 32 = R 34 = R31 = R 33 = + E − U1 12 − 9 = = 10Ω I1 0 .3 Uv 5 = = 694.44Ω k I B 1, 2.6.10 3 Trong đó : k: Là hệ số dự trữ, chọn k=1,2 Uv : Là điện áp ra của 7415 chọn là 5V Vậy để thuận tiện cho việc mua linh kiện ta chon R31 và R 33 là 700Ω Tất cả các điôt trong mạch điều khiển dùng loại 1N4009 có các tham số: - Dòng điện... dùng loại 1N4009 có các tham số: - Dòng điện định mức : Iđm = 10 (mA) - Điện áp ngược lớn nhất : Ung = 25 (V) - Điện áp để cho Diot mở thông : Um =1(V) 3. 4 Mạch điều khiển -Xem hình đính kèm3.4.1.Dạng điện áp U Uo 0 Urss Π 2 Π 3 Π t t 2 Π U2 t U3 U®k t U12 t U11 t U10 t U9 t U14 t U 13 t Hình 3. 15: Dạng điện áp ra của mạc điều khiển 3. 4.2.Nguyên lý hoạt động của sơ đồ Tín hiệu xoay chiều được chỉnh lưu... cực điều khiển của Tiristo 3. 5.Khối nguồn nuôi mạch điều khiển Biến áp nguồn nuôi và biến áp đồng pha dùng chung cuộn sơ cấp Do đó ta sử dụng một máy biến áp với một cuộn sơ cấp và nhiều cuộn thứ cấp, mỗi cuộn thực hiện một chức năng riêng Cuộn 0V-12V-24V sử dụng làm cuộm đồng pha với tín hiệu nguồn, cuộn 0V-18V -3 6 V sử dụng làm nguồn nuôi mạch điều khiển 7812 +12V C1 D1 D1 D1 C3 C2 C4 D1 7912 -1 2V... 1 ∆B 2 Trong đó : - µtb : độ từ thẩm trung bình của lõi sắt - µ0 : độ từ thẩm của không khí - tx : chiều dài xung truyền qua BAX có giá trị từ 10 ÷ 600 µs, ở đây chọn tx = 100 µs - Sx : độ sụt biên độ xung lấy Sx = 0,15 - U1 : điện áp sơ cấp - I1 : dòng điện sơ cấp Thay số vào ta được : V= 5,8.1 03. 10−6.100.10−6.0,15.9.0 ,3 = 0.479.10−6 m3 2 0, 7 - Chọn mạch từ có thể tính V = 1,4 cm3 với thể tích đó... chân Tính toán máy biến áp nguồn: 0V U21 12V U22 24V 0V Ung U 23 18V U24 36 V - Khối nguồn ±12 cấp cho khuyếch đại thuật toán, I1 = 500mA ⇒ Công suất của nguồn nuôi là: P1 =U1.I1 = 36 .0,5 = 18W - Khối nguồn đồng pha 0V – 12V – 24V, I2 = 500mA ⇒ Công suất của nguồn đồng pha là: P2 =U2.I2 = 24.0,5 = 12W - Công suất của máy biến áp là: P = P1 + P2 =18 +12 = 30 W - Dòng điện sơ cấp máy biến áp là: I1 = P 30 ... 1996, Nguyễn Bính), ta chọn được dây: + Dây sơ cấp: d1 = 0,59mm, S1 = 0,2 734 mm2, R=0,21 Ω/m + Dây sơ cấp: d21 = d22 = 0,8mm, S1 = 0,5027mm2, R= 0, 034 2 Ω/m + Dây sơ cấp: d 23 = d24 = 0,67mm, S1 = 0 ,35 26mm2, R=0,0488 Ω/m Tóm tắt thông số trên mạch điều khiển: Tụ: C3 , C4 = 0,1µF C1 , C2 = 0,22µF Điện trở: Các điện trở mạch điều khiển sao cho phù hợp với dòng vào của các IC, nhưng do các thông số này rất khó... thước mạch từ: a = 4,5 mm b = 6 mm d = 12 mm D = 21 mm Q = 0,27 cm2 = 27 mm2 Chiều dài trung bình mạch từ : l = 5,2 cm Số vòng quấn dây sơ cấp BAX: - Theo luật cảm ứng điện từ : w1 = W1 = U 1 t x (với k = 0,76 là hệ số chất đầy) ∆B.Q.k 9.100.10−6 = 63 0, 7.27.10−6.0, 76 - Số vòng dây thứ cấp : W2 63 = = 21 3 3 W2 = - Tiết diện dây quấn thứ cấp S1 = I1 J1 - Chọn mật độ dòng điện J1 = 6 A/mm2 S1 = 0 ,3 =... -1 2V Hình 3. 16: Khối nguồn nuôi mạch điều khiển - Các linh kiện sử dụng trong mạch: + Chỉnh lưu cầu 5A + Tụ lọc nguồn trước và sau ổn áp C1 = C2 = C3 = C4 =220ỡF/50V + Vi mạch ổn áp 78L12, 79L12 là loại vi mạch ổn áp có công suất nhỏ Dòng điện tải không vượt quá 100mA Chúng được bao gói dưới 2 dạng: vỏ sắt lý hiệu bằng chữ H, vỏ bằng chất dẻo ký hiệu bằng chữ Z 79L 78L CC V V CC R R Hình 3. 17:Sơ đồ... cấp BAX : U1 = m.U2 = 3. 3 = 9V + Dòng điện thứ cấp BAX: I2 = Iđk = 0,9 A + Dòng điện sơ cấp BAX: I1 = I 2 0.9 = = 0 .3 m 3 + Độ từ thẩm của lõi sắt từ: ∆B 0,7 µtb = µ ∆H = −6 = 14.1 03 µF 10 50 0 + Vì mạch có khe hở nên phải tính từ thẩm trung bình Sơ bộ chọn: chiều dài trung bình của đường sức l = 0,1mm, khe hở lkh = 1 0-5 m µ tb = l l kh + 1 µ = 0,1 10 −5 + 0,1 14.10 3 = 5,8.10 3 Thể tích lõi sắt từ: . CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3. 1.Yêu cầu và nguyên tắc điều khiển 3. 1.1.Mục đích và yêu cầu -Muốn Tiristor mở cho dòng chạy qua thì phải có. (V) - Điện áp để cho Diot mở thông : U m =1(V) 3. 4. Mạch điều khiển -Xem hình đính kèm- 3. 4.1.Dạng điện áp U12 U11 U10 U9 U14 U 13 U®k 0 2Π Π 2Π 3 t U Uo Urss t t U2 U3 t t t t t t t Hình 3. 15:. 0V-12V-24V sử dụng làm cuộm đồng pha với tín hiệu nguồn, cuộn 0V-18V -3 6 V sử dụng làm nguồn nuôi mạch điều khiển. D1 7812 7912 D1 D1 D1 C2 C1 C3 C4 +12V -1 2V Hình 3. 16: Khối nguồn nuôi mạch điều